计算机研究与发展
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍｕｔｅｒＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｍｅｎｔＩＳＳＮ１０００１２３９ＣＮ１１１７７７ＴＰ －? －?
（）：，４８Ｓｕｌ．３２６３１２０１１３基于物联网的农业信息化系统研究与设计
孙彦景 丁晓慧 于 满 田 红
（）中国矿业大学信息与电气工程学院 江苏徐州 ２２１００８
（＿ａｎｉｎｓｕｎｃｎ６３．ｃｏｍ）＠１ｙｊｇ
ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｓｉｎｏｆＡｒｉｃｕｌｔｕｒｅＩｎｆｏｒｍａｔｉｚａｔｉｏｎＳｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＩＯＴ ｇｇｙ
，，，ＳｕｎＹａｎｉｎＤｉｎＸｉａｏｈｕｉＹｕＭａｎａｎｄＴｉａｎＨｏｎ ｊｇｇｇ
（）ＳｃｈｏｏｌｏＩｎｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄ ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｉｎｅｅｒｉｎＣｈｉｎａ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏＭｉｎｉｎＴｅｃｈｎｏｌｏＸｕｚｈｏｕ，Ｊｉａｎｓｕ２２１００８ ｆｆｇｇ，ｙｆ ｇ ｇｙ，ｇ
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；；ＫｅｗｏｒｄｓＩＯＴ；ＷＳＮ，ＺｉＢｅｅＧｒｅｅｎｈｏｕｓｅｉｎｔｅｌｌｉｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌＲＦＩＤ ｇｇｙ
信息化水平，从整体实现农业智能化、自动化，通过对国内外农业物联网研摘 要 为提高农业自动化、
究状况的分析，应用无线传感网络、研发了一套基于物联网关键技术的农业信息化ＲＦＩＤ等相关技术，
系统．描述了该系统的硬件组成和框架结构，详细介绍了系统的软件设计以及主要功能模块的运作流程，实现了农业的智能化和自动化运作．
；无线传感网络；温室智能控制；关键词 物联网；ＺｉＢｅｅＲＦＩＤｇ
中图法分类号 Ｓ１２６
精准农业的发展，智能感知芯 随着智能农业、片、移动嵌入式系统等物联网技术在现代农业中的应用逐步拓宽，通过使用无线传感器网络可以有效降低人力消耗和对农田环境的影响，获取精确的作物环境和作物信息，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备，足不出户就可以监测到农田信息，实现科学种植、科学管理，促进了现代农业农业物联网技术的推广应用，也是发展方式的转变．
农业现代化水平的一个重要标志．
物联网在农业和农村信息化领域中得到广泛应用，如：精准农业、智能化专家管理系统、远程监测和生物信息和诊断系统、食品安全追溯系统遥感系统、
］１２－等［黄刘生等人对基于无线传感的集约灌溉农业．
实现方法做了深入的讨论；刘明辉等人应用句ＷｅｂＧＩＳ研究了农业病虫害预测预报专家系统；荣辉等人应用ＧＳＭ短消息技术实现了温室的实时控制．数字农业重大专项已在中国新疆、黑龙江、吉林、北京、上海、河北、江苏等地建立起２６个设施农业数字化技术、大田作物数字化技术和数字农业继
］３６－
承技术综合应用示范基地［中国研制的具有自主．
知识产权的谷物联合收割机智能测产系统在２０００年１精准农业”产量图，１月画出了中国第１张“２００５年引进美国Ｃ建立了ＡＳＥ公司精准农业机械设备，黑龙江八五二农场和宝泉岭农场精准农业试验示范但是，对于大区域农田，涉及到农业各个方面，基地．
从作物种子萌发到产品销售的所有环节，整体实现
－－２０１１０７０６ 收稿日期：
；）；）；国家自然科学基金项目（中国博士后基金项目（中央高校基本科研业务费专项基金项目（５０９０４０７０）２０１００４７１４１２２０１０ＱＮＡ４８ 基金项目：
）江苏省青蓝工程；国家大学生创新性实验计划基金项目（１０１０２９０１１
智能化，自动化这一问题还有待深入研究．为此，我们以安徽淮南市为例设计一套集农田墒情、节水灌病虫害监测、温室大棚无线监控及食品安全跟踪溉、
和检测于一体的相关系统，旨在有效提升农业生产的技术管理水平，促进农业产业化及现代化的发展．
物大田生产和温室精准调控提供科学依据，优化农作物生长环境，不仅可获得作物生长的最佳条件，提同时可提高水资源、化肥等农业投入高产量和品质，
７］
品的利用率［．
１．１ 农田信息远程智能测控系统设计
根据淮南市地貌，我们研发了一套农田信息远此系统在小范围内采用无线传感程智能测控系统，
器网络技术，在大尺度上利用ＧＳＭＧＰＲＳＧＰＳ及? ?
实现多网络平台下农情数据Ｉｎｔｅｒｎｅｔ等公共网络，的自动采集、无线传输、实时监测、精确定位、网络发布和远程参数设置等功能，为农作物信息系统、地理、信息系统（气象信息系统以及决策支持系统ＧＩＳ）等多系统的整合打下基础．
系统总体由３层网络组成：底层为无线传感器网络，中层为ＧＳＭＧＰＲＳＧＰＳ网络，上层为? ?
底层和中层通过设置网关节点连接，Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络．中层和上层则利用公共电信网关连接．如图１所示：
１ 系统总体设计
农业生产环境是一个复合开放的生态系统，包含土壤、肥料、水分、光照、温度、空气、生物等因子，对农田环境数据进行快速、准确地采集、传输、控制，对直接与间接相关因素进行系统分析，有利于对农作物生产进行科学管理．从国内外智能农业应用上利用农业智能传感器可实现农业生产环境信息看，
的实时采集，利用自组织智能物联网可对采集数据进行远程实时报送，同时将生物信息获取方法应用通过各种仪器、仪表实时显示或于无线传感器节点，
作为自动控制的参变量参与到自动控制中，为农作
图１ 农田信息远程智能测控系统总体架构
底层无线传感器网络由各传感器节点基于
ＺｉＢｅｅ无线通信协议构成．ＺｉＢｅｅ技术作为一种新ｇｇ兴的无线通信技术，具有微功耗、低成本、自组网和非常适合在多测点的农田信节点布置灵活等特点，息采集中的应用．
中层ＧＳＭＧＰＲＳＧＰＳ网络由各网关节点组? ? 成，完成传感器节点的信息交汇、数据存储、指令收
发、节点定位以及参数远程设置等功能．
上层Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络由远程服务器和各客户端组成．服务器从各网关节点接收信息，完成数据解析、处理、存储、查询、统计、图表绘制、网络发布以及与决策支持等其他信息系统集成整合的功ＧＩＳ系统、
能，并可通过网关节点发送控制指令至底层传感器节点完成远程参数设置，使得客户端在任何时间地
点，只要登陆系统服务器，就可在线实时监测信息和远程设置参数，实现了Ｗｅｂ方式下客户端对传感器
８］节点的远程参数设置功能［．
１．２ 架设基站
基站建设的顺利实施是保障整个系统实现的关键所在，而现有的监测系统大多需要埋线，线缆容易维护非常复杂．根据实际需要，我们采用ｅ腐烂，Ｋｏ专业体系，可将维护成本降ｅＫｏ系统采用无线连接，它能提供可靠的数据、简单方便的安装、使到最低；
用与维护．可实现对微气象ｅＫｏ系统的微型气象站，的监测基站使用２基于Ｗ．４ＧＨｚ射频收发器，ｅｂ的可视化数据分析界面，基于ＸＭＬ格式远程数据服务，支持其他无线传感器节点，并且可以自动加入网天线接口可以连接外部室外天线．络，
考虑到基站和网关需要供电，将其放置在室内，选择在窗边安置ｅ将天线引到室外可以得Ｋｏ基站，到更好的效果．ｅＫｏ节点和专业套件如图２所示
：
图３ 基于无传感的网络的农田自动节水灌溉系统
况部署携带土壤湿度的传感器节点，形成灌区节点群，每个节点负责监测一小块区域内的土壤湿度状况．灌区节点群和接收节点构成一个典型的无线传
［］
感器网络，采用Ｚ传感ｉＢｅｅ无线数据传输技术９，ｇ
器数据以无线多跳的形式上传至接收节点．
自动节水灌溉系统是在灌区农田上铺设灌溉管并在管道上加装电控阀门．灌溉管网铺设越密网．
集，系统越可以更为灵活地进行节水灌溉控制．自动节水灌溉可以在农田原有的灌溉管网的基础上改造．即原有灌溉管道上加装电控阀门，更好地利用原有灌溉管网和减少投资．在无线传感器网络覆盖的区域内，灌溉控制器依传感器信息对特定区域进行喷灌．
２．２ 系统功能模块
传感器节点硬件结构如图４所示，主要由传感器模块、控制器模块、ＺｉＢｅｅ协议通信模块以及太ｇ阳能自供电模块组成．
图２ ｅＫｏ节点及专业套件
２ 农田墒情监测与自动节水灌溉系统设计
淮南市位于安徽省中北部，夏季多雨，冬季干日照较足，极易发生旱涝灾害．全市多年平均水旱，
资源人均占有量不足５低于全国平均水００立方米，平．基于此，设计一种基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统，该系统主要由低功耗无线传感网络节点通过Ｚ需要监测的墒情信ｉＢｅｅ自组网方式构成．ｇ息参数包括：土壤水势、土壤含水率、气温、相对湿度和地下水位．所用到的传感器为四通道温湿度变送器，通过传感器测得的信号值，由经验公式可计算得到各信息参数．
２．１ 农田自动节水灌溉系统设计
基于无线传感器网络的农业灌溉系统由灌区传感器节点群、接收节点、灌溉控制器和灌溉管网４部分组成．如图３所示．
在灌区农田上，按照农田的种植状况和灌溉状
图４ 传感器节点硬件结构
２．３ 灌溉控制器设计
采用嵌入式系统Ｓ３Ｃ２４１０ＡＲＭ９开发板为主板构成灌溉控制器，接收节点串口传输信息，处理控制信息由ＩＯ口对应控制一个电控阀门．Ｓ３Ｃ２４１０? 多达１系统具有很高的扩展性．１７个多功能ＩＯ口，?
）无线传感器网络周期性检测湿度（周期为１０ｓ
并上传至灌溉控制器．当灌溉控制器发现某区域的传感器网络节点周期性检测湿度低于规定值时，开当该区域土壤启该区域管网的电控阀门进行喷灌，
湿度上升到一定值后，则关闭该区域管网的电控阀门停止喷灌
．
以采用微小昆虫自动计数技术、昆虫诱捕自动记录装置和Ｐ其中微小昆ＤＡ＋ＧＰＳ数据采集记录技术．虫自动计数主要是利用计算机图像处理技术解决微小昆虫调查困难，数据难于获取等问题，只需通过适当方式获取害虫图片进行自动计数即可完成数据调
１０］
昆虫诱捕自动记录装置是利用性诱剂对查工作［．
３ 病虫害的监测预警
淮南市的种植模式基本是一稻一麦（水旱混作模式）或一豆一麦（旱作模式）其中，小麦和水稻纹．枯病是我市粮食作物常发性主要病害．
从总体上来看，病虫害监测预警工作内容中存数据采集→数据报送与管理→数据处理与在一个“
预测预报→病虫害预报信息发布”的信息链．其中的各环节与信息技术中数据获取、数据传输、数据处理和数据应用等技术相对应．３．１ 相关技术
病虫害监测预警信息链各环节中涉及到传感器数据库技术、网络和通信技术、专家系统技术、技术、
、人工神经网络技术、全球定位技术（地理信息ＧＰＳ））系统技术（等．ＧＩＳ
对于一些个体较小的昆虫（如麦蚜等）来说，可
昆虫的引诱作用，对通过扫描光栅的昆虫数量进行计数．ＰＤＡ＋ＧＰＳ数据采集记录技术主要用于常规记录数据的同时记录Ｇ病虫害的人工调查，ＰＳ定位信息，为Ｇ同时，还要考虑到与病ＩＳ提供定位数据．——田间小气候虫害发生动态密切相关的环境因子—
数据．田间小气候数据监测技术主要是利用传感器技术和ＧＰＲＳ网络通信技术自动获取病虫害监测站的
］１１
实时小气候数据，并将其传到数据库中备用［．
３．２ 技术的组装配套
将数据采集获取技术作为系统的主要数据源，结合数据传输技术，可为数据管理系统提供实时、可将基于Ｗ靠的病虫害及小气候监测数据，ｅｂＧＩＳ的具有ＢＳ３层网络架构的农业病虫害预测预报专家? 系统与数据管理系统及预报信息发布的相关功能进行集成，以数据管理系统中的病虫害及环境因子等驱动专家系统的数据作为专家系统预测的输入项，
图５ 病虫害监测预警技术组装配套实施整体框架
推理机，进行病虫害的预测预报，通过预报信息发布系统发布测报信息，指导植保工作．图５所示为按照在这个该思路将各环节技术组装配套的整体框架．框架中还有可以进一步丰富各环节的方法和手段，如模型预测技术、人工神经网络预测技术等．
另外，还需要根据不同层次的病虫害测报部门对自己工作的实际需要进行一些框架内容的修改、补充与完善，形成适合不同层次病虫害测报部门应用的技术体系．
能化控制、科学管理以及资源优化配置，以达到作物稳产、高产、高效益的现代农业要求．系统温室智能测控系统结构如图６所示．
４．２ 传感器的选择
）光电池式光照传感器．这是一种自发式的光１电元件，它受到光照时自身能产生一定方向的电动在不加电源的情况下，只要接通外电路便有电流势，
通过．光电池的短路电流在很大范围内与光照强度因此，其可用来检测连续变化的光照呈线性关系，强度．
）热电偶型温度传感器．将２种不同成分的导２
体组成一个回路，当闭合回路的２个接点分别置于不同的温度场中时．回路中将产生一个电动势．热电其具有结构简单、制造偶传感器就是利用这一特点，
方便、测量范围广、线性精度高、惯性小和输出信号便于传输等优点．
）空气湿度传感器．本系统选用的是有机高分３
子膜湿敏电阻．有机高分子膜湿敏电阻是在氧化铝然后在其表面涂以等陶瓷基板上设置梳状型电极，
既具有感湿性能，又有导电性能的高分子材料薄膜，再涂覆一层多孔质的高分子膜保护层．这种湿敏元件是利用水蒸汽附着在感湿薄膜上，电阻值与相对由于用了高分子材料，所以适湿度相对应这一性质．用于高温气体的测量．
）土壤湿度传感器．土壤湿度传感器是基于时４
域反射原理的．探头组件发射一定频率的电磁波，电磁波沿探针传输，到达底部后返回，检测探头输出电可依照输出电压和水分的关系计算出土壤的含压，
水量．我们采用Ｅ该传Ｓ１１０１型土壤温湿度传感器，感器可以适用多种类型的栽培基质．
）５ＣＯＣＯ２浓度传感器．２浓度是调控植物光合
因此监控Ｃ作用的重要因子，Ｏ２浓度是很有必要
１２］
的［本系统选择的是基于固体电介质电池的传感．
４ 无线传感网络技术在温室大棚的构建
目前，淮南市顺应潮流充分发挥自身区位、资源发展温室大棚蔬菜、花等优势利用设施农业的优势，
卉苗木、畜牧水产养殖等并取得良好的效果．但是我国温室的智能化水平还比较低，现有温室大都以有温室内布有大量的信号传输线和动力线接人为主，
线，导致温室建造、安装、维护复杂，工作量大，可靠为此，在温室中应用基于无线技术的传感器温性低．
室智能测控系统，将有助于解决有线系统的局限性
．４．１ 系统温室智能测控系统结构
温室内布有大量的信号传输线和动力线，导致温室建造、安装、维护复杂，工作量大，可靠性低，设为此研制了专用于温室环境的施扩建更新困难等．
无线传感器，对温室的温度、湿度、露点、光照强度进同时利用其通用模拟数字接口，可扩展行实时监控，
其他传感器对Ｃ营养液的ＰＯＨ值、ＥＣ值和２浓度、采用无线传输，电池作物的生理参数进行采集测量．
供电，能够组成简单网络，解决了温室环境中大量布线的问题．该系统可以实现对农作物生长环境的智
器．它的特点是电路选用了高精度稳压源，及高阻抗、高增益的场效应管差分放大单元，因而具有高的且受温度变化的影响较小．灵敏度及线性度，
５ 食品安全追踪及检测
充分利ＲＦＩＤ技术是物联网的关键技术之一，
［１３］
，用射频识别技术（结合信息化的智能网ＲＦＩＤ）络体系，实现对食品生产、包装、运输、库存、配送、消费等各环节的监控、管理和评估．依靠各个环节当中
图６ 温室智能测控系统结构
的智能信息节点，结合电子标签技术、无线传感技
［］王亚维．物联网发展综述．科技信息，）：２２０１０，（３５４５６－［］臧运平，张乐萃，盖明媚，等．３Ｉｎｔｅｒｎｅｔ对中国传统农业生产
）：模式的影响（上）．农业网络息，２００６，（６８０８２－
［］臧运平，徐文敏，栾淑莉，等．４Ｉｎｔｅｒｎｅｔ对中国传统农业生产
）：下）模式的影响（．农业网络信息，２００６，（７４３４５－
［］王新忠，王熙，王智敏，等．黑龙江垦区精准农业三种Ｇ５ＰＳ
差分方式比较研究，黑龙江八一农垦大学学报，２００６，１８（）：１４２４５－
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学，２００７：１１７４－
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［］杜巍．食品科技，１３ＲＦＩＤ在食品安全追踪系统中的应用，
（）：２００７，２２７
术、互联网技术与数据库技术，采用ＧＰＳ定位技术、智能交易器，将各个节点有机的结合在一起，通过无有线宽带网络与中央数据库线传感网络、３Ｇ网络、相连接，对食品的生产、加工、运输、仓储、包装、检测和卫生等各个环节进行监控和追溯，建立食品安全信息数据库，实现农产品从农田（养殖场）到餐桌的全方位可溯源的数字化管理．一旦发现问全过程、
题，能够根据溯源进行有效的控制和召回，从源头上保障消费者的合法权益．
６ 系统应用的初步效果及展望
本文提出的这种基于物联网的农业信息化系整可对农作物生长环境进行实时跟踪与体设计方案，
诊断，虽然目前还处于研发阶段，但它的各项优势已经突显出来，如初期建设周期短、投资小、易于升级、易于重组，可以灵活便捷地组成适应不同规模、不同情况、不同要求的农业信息测控系统，并且所构建的功耗低、稳定可靠、具有低复杂度．系统成本低、
国家和政府已经明确提出了发展物联网“感知中国”的宏伟战略目标，同时也为构建农业物联网“感知农业”指明了方向．目前，淮南市无线通信网络已经覆盖了广大城乡，随时随地、无处不在的无线网络也为农业物联网技术在农业信息化中的应用推广本套设计方案就是在此基础上通过发奠定了基础．
相信其一定能在农展农业物联网打造物联网农业．
业现代化建设中实现全面感知、稳定传输、智能管理的理想．
参
考
文
献
博士，副教授，博士生导师，江１９７７年生， 孙彦景 男，
主要研究方向为无线传感器网络、苏省电子学会常务理事．ＣＰＳ等．
硕士研究生，主要研究方向为１９８６年生， 丁晓慧 女，
无线认知网络、农业物联网（ｄｉｎｘｉａｏｈｕｉ９９＠ｑ．．ｃｏｍ）ｇｑ硕士研究生，主要研究方向为１９８６年生， 于 满 男，、ＷＳＮ、ＣＰＳＩＯＴ．
硕士研究生，主要研究方向为１９８７年生， 田 红 女，无线认知网络．
［］梅方权．智慧地球与感知中国———物联网的发展分析．农业１
（）：网络信息，２００９，２１１２５７－
计算机研究与发展
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍｕｔｅｒＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｍｅｎｔＩＳＳＮ１０００１２３９ＣＮ１１１７７７ＴＰ －? －?
（）：，４８Ｓｕｌ．３２６３１２０１１３基于物联网的农业信息化系统研究与设计
孙彦景 丁晓慧 于 满 田 红
（）中国矿业大学信息与电气工程学院 江苏徐州 ２２１００８
（＿ａｎｉｎｓｕｎｃｎ６３．ｃｏｍ）＠１ｙｊｇ
ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｓｉｎｏｆＡｒｉｃｕｌｔｕｒｅＩｎｆｏｒｍａｔｉｚａｔｉｏｎＳｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＩＯＴ ｇｇｙ
，，，ＳｕｎＹａｎｉｎＤｉｎＸｉａｏｈｕｉＹｕＭａｎａｎｄＴｉａｎＨｏｎ ｊｇｇｇ
（）ＳｃｈｏｏｌｏＩｎｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄ ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｉｎｅｅｒｉｎＣｈｉｎａ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏＭｉｎｉｎＴｅｃｈｎｏｌｏＸｕｚｈｏｕ，Ｊｉａｎｓｕ２２１００８ ｆｆｇｇ，ｙｆ ｇ ｇｙ，ｇ
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，ｔｅｃｈｎｏｌｏｉｅｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｓａｎａｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｚａｔｉｏｎｓｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＩＯＴｋｅｔｅｃｈｎｏｌｏｉｅｓ． ｇｐｇｙｙｇ Ｔｈｉｓａｅｒｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｓｓｔｅｍ＇ｓｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｆｒａｍｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｎａｎｄｏｅｒａｔｉｏｎ ｐｐｙｇｐ
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信息化水平，从整体实现农业智能化、自动化，通过对国内外农业物联网研摘 要 为提高农业自动化、
究状况的分析，应用无线传感网络、研发了一套基于物联网关键技术的农业信息化ＲＦＩＤ等相关技术，
系统．描述了该系统的硬件组成和框架结构，详细介绍了系统的软件设计以及主要功能模块的运作流程，实现了农业的智能化和自动化运作．
；无线传感网络；温室智能控制；关键词 物联网；ＺｉＢｅｅＲＦＩＤｇ
中图法分类号 Ｓ１２６
精准农业的发展，智能感知芯 随着智能农业、片、移动嵌入式系统等物联网技术在现代农业中的应用逐步拓宽，通过使用无线传感器网络可以有效降低人力消耗和对农田环境的影响，获取精确的作物环境和作物信息，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备，足不出户就可以监测到农田信息，实现科学种植、科学管理，促进了现代农业农业物联网技术的推广应用，也是发展方式的转变．
农业现代化水平的一个重要标志．
物联网在农业和农村信息化领域中得到广泛应用，如：精准农业、智能化专家管理系统、远程监测和生物信息和诊断系统、食品安全追溯系统遥感系统、
］１２－等［黄刘生等人对基于无线传感的集约灌溉农业．
实现方法做了深入的讨论；刘明辉等人应用句ＷｅｂＧＩＳ研究了农业病虫害预测预报专家系统；荣辉等人应用ＧＳＭ短消息技术实现了温室的实时控制．数字农业重大专项已在中国新疆、黑龙江、吉林、北京、上海、河北、江苏等地建立起２６个设施农业数字化技术、大田作物数字化技术和数字农业继
］３６－
承技术综合应用示范基地［中国研制的具有自主．
知识产权的谷物联合收割机智能测产系统在２０００年１精准农业”产量图，１月画出了中国第１张“２００５年引进美国Ｃ建立了ＡＳＥ公司精准农业机械设备，黑龙江八五二农场和宝泉岭农场精准农业试验示范但是，对于大区域农田，涉及到农业各个方面，基地．
从作物种子萌发到产品销售的所有环节，整体实现
－－２０１１０７０６ 收稿日期：
；）；）；国家自然科学基金项目（中国博士后基金项目（中央高校基本科研业务费专项基金项目（５０９０４０７０）２０１００４７１４１２２０１０ＱＮＡ４８ 基金项目：
）江苏省青蓝工程；国家大学生创新性实验计划基金项目（１０１０２９０１１
智能化，自动化这一问题还有待深入研究．为此，我们以安徽淮南市为例设计一套集农田墒情、节水灌病虫害监测、温室大棚无线监控及食品安全跟踪溉、
和检测于一体的相关系统，旨在有效提升农业生产的技术管理水平，促进农业产业化及现代化的发展．
物大田生产和温室精准调控提供科学依据，优化农作物生长环境，不仅可获得作物生长的最佳条件，提同时可提高水资源、化肥等农业投入高产量和品质，
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品的利用率［．
１．１ 农田信息远程智能测控系统设计
根据淮南市地貌，我们研发了一套农田信息远此系统在小范围内采用无线传感程智能测控系统，
器网络技术，在大尺度上利用ＧＳＭＧＰＲＳＧＰＳ及? ?
实现多网络平台下农情数据Ｉｎｔｅｒｎｅｔ等公共网络，的自动采集、无线传输、实时监测、精确定位、网络发布和远程参数设置等功能，为农作物信息系统、地理、信息系统（气象信息系统以及决策支持系统ＧＩＳ）等多系统的整合打下基础．
系统总体由３层网络组成：底层为无线传感器网络，中层为ＧＳＭＧＰＲＳＧＰＳ网络，上层为? ?
底层和中层通过设置网关节点连接，Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络．中层和上层则利用公共电信网关连接．如图１所示：
１ 系统总体设计
农业生产环境是一个复合开放的生态系统，包含土壤、肥料、水分、光照、温度、空气、生物等因子，对农田环境数据进行快速、准确地采集、传输、控制，对直接与间接相关因素进行系统分析，有利于对农作物生产进行科学管理．从国内外智能农业应用上利用农业智能传感器可实现农业生产环境信息看，
的实时采集，利用自组织智能物联网可对采集数据进行远程实时报送，同时将生物信息获取方法应用通过各种仪器、仪表实时显示或于无线传感器节点，
作为自动控制的参变量参与到自动控制中，为农作
图１ 农田信息远程智能测控系统总体架构
底层无线传感器网络由各传感器节点基于
ＺｉＢｅｅ无线通信协议构成．ＺｉＢｅｅ技术作为一种新ｇｇ兴的无线通信技术，具有微功耗、低成本、自组网和非常适合在多测点的农田信节点布置灵活等特点，息采集中的应用．
中层ＧＳＭＧＰＲＳＧＰＳ网络由各网关节点组? ? 成，完成传感器节点的信息交汇、数据存储、指令收
发、节点定位以及参数远程设置等功能．
上层Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络由远程服务器和各客户端组成．服务器从各网关节点接收信息，完成数据解析、处理、存储、查询、统计、图表绘制、网络发布以及与决策支持等其他信息系统集成整合的功ＧＩＳ系统、
能，并可通过网关节点发送控制指令至底层传感器节点完成远程参数设置，使得客户端在任何时间地
点，只要登陆系统服务器，就可在线实时监测信息和远程设置参数，实现了Ｗｅｂ方式下客户端对传感器
８］节点的远程参数设置功能［．
１．２ 架设基站
基站建设的顺利实施是保障整个系统实现的关键所在，而现有的监测系统大多需要埋线，线缆容易维护非常复杂．根据实际需要，我们采用ｅ腐烂，Ｋｏ专业体系，可将维护成本降ｅＫｏ系统采用无线连接，它能提供可靠的数据、简单方便的安装、使到最低；
用与维护．可实现对微气象ｅＫｏ系统的微型气象站，的监测基站使用２基于Ｗ．４ＧＨｚ射频收发器，ｅｂ的可视化数据分析界面，基于ＸＭＬ格式远程数据服务，支持其他无线传感器节点，并且可以自动加入网天线接口可以连接外部室外天线．络，
考虑到基站和网关需要供电，将其放置在室内，选择在窗边安置ｅ将天线引到室外可以得Ｋｏ基站，到更好的效果．ｅＫｏ节点和专业套件如图２所示
：
图３ 基于无传感的网络的农田自动节水灌溉系统
况部署携带土壤湿度的传感器节点，形成灌区节点群，每个节点负责监测一小块区域内的土壤湿度状况．灌区节点群和接收节点构成一个典型的无线传
［］
感器网络，采用Ｚ传感ｉＢｅｅ无线数据传输技术９，ｇ
器数据以无线多跳的形式上传至接收节点．
自动节水灌溉系统是在灌区农田上铺设灌溉管并在管道上加装电控阀门．灌溉管网铺设越密网．
集，系统越可以更为灵活地进行节水灌溉控制．自动节水灌溉可以在农田原有的灌溉管网的基础上改造．即原有灌溉管道上加装电控阀门，更好地利用原有灌溉管网和减少投资．在无线传感器网络覆盖的区域内，灌溉控制器依传感器信息对特定区域进行喷灌．
２．２ 系统功能模块
传感器节点硬件结构如图４所示，主要由传感器模块、控制器模块、ＺｉＢｅｅ协议通信模块以及太ｇ阳能自供电模块组成．
图２ ｅＫｏ节点及专业套件
２ 农田墒情监测与自动节水灌溉系统设计
淮南市位于安徽省中北部，夏季多雨，冬季干日照较足，极易发生旱涝灾害．全市多年平均水旱，
资源人均占有量不足５低于全国平均水００立方米，平．基于此，设计一种基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统，该系统主要由低功耗无线传感网络节点通过Ｚ需要监测的墒情信ｉＢｅｅ自组网方式构成．ｇ息参数包括：土壤水势、土壤含水率、气温、相对湿度和地下水位．所用到的传感器为四通道温湿度变送器，通过传感器测得的信号值，由经验公式可计算得到各信息参数．
２．１ 农田自动节水灌溉系统设计
基于无线传感器网络的农业灌溉系统由灌区传感器节点群、接收节点、灌溉控制器和灌溉管网４部分组成．如图３所示．
在灌区农田上，按照农田的种植状况和灌溉状
图４ 传感器节点硬件结构
２．３ 灌溉控制器设计
采用嵌入式系统Ｓ３Ｃ２４１０ＡＲＭ９开发板为主板构成灌溉控制器，接收节点串口传输信息，处理控制信息由ＩＯ口对应控制一个电控阀门．Ｓ３Ｃ２４１０? 多达１系统具有很高的扩展性．１７个多功能ＩＯ口，?
）无线传感器网络周期性检测湿度（周期为１０ｓ
并上传至灌溉控制器．当灌溉控制器发现某区域的传感器网络节点周期性检测湿度低于规定值时，开当该区域土壤启该区域管网的电控阀门进行喷灌，
湿度上升到一定值后，则关闭该区域管网的电控阀门停止喷灌
．
以采用微小昆虫自动计数技术、昆虫诱捕自动记录装置和Ｐ其中微小昆ＤＡ＋ＧＰＳ数据采集记录技术．虫自动计数主要是利用计算机图像处理技术解决微小昆虫调查困难，数据难于获取等问题，只需通过适当方式获取害虫图片进行自动计数即可完成数据调
１０］
昆虫诱捕自动记录装置是利用性诱剂对查工作［．
３ 病虫害的监测预警
淮南市的种植模式基本是一稻一麦（水旱混作模式）或一豆一麦（旱作模式）其中，小麦和水稻纹．枯病是我市粮食作物常发性主要病害．
从总体上来看，病虫害监测预警工作内容中存数据采集→数据报送与管理→数据处理与在一个“
预测预报→病虫害预报信息发布”的信息链．其中的各环节与信息技术中数据获取、数据传输、数据处理和数据应用等技术相对应．３．１ 相关技术
病虫害监测预警信息链各环节中涉及到传感器数据库技术、网络和通信技术、专家系统技术、技术、
、人工神经网络技术、全球定位技术（地理信息ＧＰＳ））系统技术（等．ＧＩＳ
对于一些个体较小的昆虫（如麦蚜等）来说，可
昆虫的引诱作用，对通过扫描光栅的昆虫数量进行计数．ＰＤＡ＋ＧＰＳ数据采集记录技术主要用于常规记录数据的同时记录Ｇ病虫害的人工调查，ＰＳ定位信息，为Ｇ同时，还要考虑到与病ＩＳ提供定位数据．——田间小气候虫害发生动态密切相关的环境因子—
数据．田间小气候数据监测技术主要是利用传感器技术和ＧＰＲＳ网络通信技术自动获取病虫害监测站的
］１１
实时小气候数据，并将其传到数据库中备用［．
３．２ 技术的组装配套
将数据采集获取技术作为系统的主要数据源，结合数据传输技术，可为数据管理系统提供实时、可将基于Ｗ靠的病虫害及小气候监测数据，ｅｂＧＩＳ的具有ＢＳ３层网络架构的农业病虫害预测预报专家? 系统与数据管理系统及预报信息发布的相关功能进行集成，以数据管理系统中的病虫害及环境因子等驱动专家系统的数据作为专家系统预测的输入项，
图５ 病虫害监测预警技术组装配套实施整体框架
推理机，进行病虫害的预测预报，通过预报信息发布系统发布测报信息，指导植保工作．图５所示为按照在这个该思路将各环节技术组装配套的整体框架．框架中还有可以进一步丰富各环节的方法和手段，如模型预测技术、人工神经网络预测技术等．
另外，还需要根据不同层次的病虫害测报部门对自己工作的实际需要进行一些框架内容的修改、补充与完善，形成适合不同层次病虫害测报部门应用的技术体系．
能化控制、科学管理以及资源优化配置，以达到作物稳产、高产、高效益的现代农业要求．系统温室智能测控系统结构如图６所示．
４．２ 传感器的选择
）光电池式光照传感器．这是一种自发式的光１电元件，它受到光照时自身能产生一定方向的电动在不加电源的情况下，只要接通外电路便有电流势，
通过．光电池的短路电流在很大范围内与光照强度因此，其可用来检测连续变化的光照呈线性关系，强度．
）热电偶型温度传感器．将２种不同成分的导２
体组成一个回路，当闭合回路的２个接点分别置于不同的温度场中时．回路中将产生一个电动势．热电其具有结构简单、制造偶传感器就是利用这一特点，
方便、测量范围广、线性精度高、惯性小和输出信号便于传输等优点．
）空气湿度传感器．本系统选用的是有机高分３
子膜湿敏电阻．有机高分子膜湿敏电阻是在氧化铝然后在其表面涂以等陶瓷基板上设置梳状型电极，
既具有感湿性能，又有导电性能的高分子材料薄膜，再涂覆一层多孔质的高分子膜保护层．这种湿敏元件是利用水蒸汽附着在感湿薄膜上，电阻值与相对由于用了高分子材料，所以适湿度相对应这一性质．用于高温气体的测量．
）土壤湿度传感器．土壤湿度传感器是基于时４
域反射原理的．探头组件发射一定频率的电磁波，电磁波沿探针传输，到达底部后返回，检测探头输出电可依照输出电压和水分的关系计算出土壤的含压，
水量．我们采用Ｅ该传Ｓ１１０１型土壤温湿度传感器，感器可以适用多种类型的栽培基质．
）５ＣＯＣＯ２浓度传感器．２浓度是调控植物光合
因此监控Ｃ作用的重要因子，Ｏ２浓度是很有必要
１２］
的［本系统选择的是基于固体电介质电池的传感．
４ 无线传感网络技术在温室大棚的构建
目前，淮南市顺应潮流充分发挥自身区位、资源发展温室大棚蔬菜、花等优势利用设施农业的优势，
卉苗木、畜牧水产养殖等并取得良好的效果．但是我国温室的智能化水平还比较低，现有温室大都以有温室内布有大量的信号传输线和动力线接人为主，
线，导致温室建造、安装、维护复杂，工作量大，可靠为此，在温室中应用基于无线技术的传感器温性低．
室智能测控系统，将有助于解决有线系统的局限性
．４．１ 系统温室智能测控系统结构
温室内布有大量的信号传输线和动力线，导致温室建造、安装、维护复杂，工作量大，可靠性低，设为此研制了专用于温室环境的施扩建更新困难等．
无线传感器，对温室的温度、湿度、露点、光照强度进同时利用其通用模拟数字接口，可扩展行实时监控，
其他传感器对Ｃ营养液的ＰＯＨ值、ＥＣ值和２浓度、采用无线传输，电池作物的生理参数进行采集测量．
供电，能够组成简单网络，解决了温室环境中大量布线的问题．该系统可以实现对农作物生长环境的智
器．它的特点是电路选用了高精度稳压源，及高阻抗、高增益的场效应管差分放大单元，因而具有高的且受温度变化的影响较小．灵敏度及线性度，
５ 食品安全追踪及检测
充分利ＲＦＩＤ技术是物联网的关键技术之一，
［１３］
，用射频识别技术（结合信息化的智能网ＲＦＩＤ）络体系，实现对食品生产、包装、运输、库存、配送、消费等各环节的监控、管理和评估．依靠各个环节当中
图６ 温室智能测控系统结构
的智能信息节点，结合电子标签技术、无线传感技
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术、互联网技术与数据库技术，采用ＧＰＳ定位技术、智能交易器，将各个节点有机的结合在一起，通过无有线宽带网络与中央数据库线传感网络、３Ｇ网络、相连接，对食品的生产、加工、运输、仓储、包装、检测和卫生等各个环节进行监控和追溯，建立食品安全信息数据库，实现农产品从农田（养殖场）到餐桌的全方位可溯源的数字化管理．一旦发现问全过程、
题，能够根据溯源进行有效的控制和召回，从源头上保障消费者的合法权益．
６ 系统应用的初步效果及展望
本文提出的这种基于物联网的农业信息化系整可对农作物生长环境进行实时跟踪与体设计方案，
诊断，虽然目前还处于研发阶段，但它的各项优势已经突显出来，如初期建设周期短、投资小、易于升级、易于重组，可以灵活便捷地组成适应不同规模、不同情况、不同要求的农业信息测控系统，并且所构建的功耗低、稳定可靠、具有低复杂度．系统成本低、
国家和政府已经明确提出了发展物联网“感知中国”的宏伟战略目标，同时也为构建农业物联网“感知农业”指明了方向．目前，淮南市无线通信网络已经覆盖了广大城乡，随时随地、无处不在的无线网络也为农业物联网技术在农业信息化中的应用推广本套设计方案就是在此基础上通过发奠定了基础．
相信其一定能在农展农业物联网打造物联网农业．
业现代化建设中实现全面感知、稳定传输、智能管理的理想．
参
考
文
献
博士，副教授，博士生导师，江１９７７年生， 孙彦景 男，
主要研究方向为无线传感器网络、苏省电子学会常务理事．ＣＰＳ等．
硕士研究生，主要研究方向为１９８６年生， 丁晓慧 女，
无线认知网络、农业物联网（ｄｉｎｘｉａｏｈｕｉ９９＠ｑ．．ｃｏｍ）ｇｑ硕士研究生，主要研究方向为１９８６年生， 于 满 男，、ＷＳＮ、ＣＰＳＩＯＴ．
硕士研究生，主要研究方向为１９８７年生， 田 红 女，无线认知网络．
［］梅方权．智慧地球与感知中国———物联网的发展分析．农业１
（）：网络信息，２００９，２１１２５７－